碳纤维2021.
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玻璃纤维的制造

解释了这个行业的第一批纤维强化背后的旧艺术,具有新的光纤科学和未来发展的洞察力。
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玻璃纤维端部缠绕在曲梁圆筒上

玻璃纤维是现代聚合物复合材料中使用的第一种增强物,但距古代艺术。这里,玻璃纤维端部并排缠绕在经线梁(大辊或圆柱体)上,其后来将在玻璃纤维织物制品中使用。来源|雅

玻璃纤维是现代复合材料的原始纤维增强。虽然古老的腓尼基人,埃及人和希腊人知道如何融化玻璃并将其伸入薄纤维中,但直到20世纪30年代直到20世纪30年代,该过程进化成连续纤维的商业规模制造,后来将被用作结构增强剂。通过Games Silayter,John Thomas和Dale Kleist,Oudens-Illinois Glass Co.(俄亥俄州托莱多)的员工,记录了欧文斯·伊利诺伊州玻璃公司的员工(Toledo,Ohio)之间提出的专利申请记录了逐步改变行业生产不连续纤维玻璃羊毛的关键发展连续玻璃长丝直径为4微米(400万米)和数千英尺长。随之而来的突破使该过程具有商业上可行和成本竞争力。

从这个系列的最后两项专利,题为“纺织材料”和“玻璃面料”,将未来作为纺织品加固。该专利是1938年颁发的,同年欧文斯 - 伊利诺伊州和康宁玻璃工程(康宁,N.Y.)加入欧文康宁纤维公司(OCF)。新公司在商品名纤维树下销售其玻璃纤维,这是对玻璃纤维的常见通用引用的成因。在许多其他制造商进入市场之前,并通过众多流程和产品创新,为全球结构综合加强市场贡献,这是根据市场研究公司的贡献Lucintel(达拉斯,德克萨斯州,美国)于2018年达到了25亿英镑。

玻璃纤维制造工艺示意图

玻璃纤维是通过混合原料制造的,将它们熔化在三级炉炉中,通过前置末端底部的衬套挤出熔融玻璃,用水冷却细丝,然后施加化学尺寸。然后聚丝聚集并缠绕成一个包装。来源|ocv.

玻璃纤维工艺

纺织级玻璃纤维由二氧化硅制成(SIO2)砂,熔化在1720°C / 3128°F。SiO.2也是石英中的基本元素,是一种天然存在的岩石。然而,石英是结晶(刚性,高度有序的原子结构),SiO为99%或更多2。如果SiO2在1200℃/ 2192°F以上加热,然后环境冷却,结晶并变成石英。通过改变温度和冷却速率来生产玻璃。如果是纯SIO.2被加热至1720℃/ 3128°F,然后快速冷却,可以防止结晶,加工产生无定形或随机排序的原子结构,我们知道玻璃。

尽管不断改进和完善,今天的玻璃纤维制造商将这种高温/快速冷却策略与其他步骤结合在一起,这一过程基本上与20世纪30年代发展的过程相同,尽管规模更大。这个过程可以分为五个基本步骤:配料、熔化、纤维化、涂层和干燥/包装。

第1步:批处理

尽管可以单独用二氧化硅制成可行的商业玻璃纤维,但加入其他成分以减少工作温度,并赋予可用于特定应用的其他性能。

按每种元素重量百分比所选玻璃纤维类型的组成

例如,最初针对电气应用的电子玻璃,其中组合物包括SIO2,ai.2O.3.(氧化铝或氧化铝),CaO(氧化钙或石灰)和MgO(氧化镁或氧化镁),作为原始钠钙玻璃的更具耐碱替代品。后来,通过B加入硼2O.3.(硼的氧化物),以增加e -玻璃熔化时的温度和它形成结晶结构时的温度之间的差异,以防止堵塞用于纤维化的喷嘴(下面的步骤3)。

为提高强度而开发的s -玻璃纤维是以SiO为基础的2-2O.3.-MGO制剂但包含更高百分比的SIO2对于拉伸强度是最重要的财产的应用。

因此,在玻璃制造的初始阶段,这些材料必须仔细地按精确的数量称重并彻底混合(成批)。配料已经自动化,使用计算机称重单位和封闭的材料运输系统。例如,在Owens Corning位于印度Taloja的工厂,每一种原料都通过气动输送机运输到其指定的多层仓库(筒仓),该仓库能够容纳70至260英尺³(1.98至7.36米³)的材料。在每个料仓的正下方是一个自动称重和给料系统,它将每一种配料的精确数量转移到地下室的一个气动搅拌机中。

步骤2:融化

来自批次,另一个气动输送机将混合物送到高温(≈1400ºC/2552ºF)天然气燃烧炉中以进行熔化。炉子通常分为三个部分,具有帮助玻璃流动的通道。第一部分接收批次,其中发生熔化和均匀性,包括去除气泡。然后将熔融玻璃流入炼油厂,其温度降至1370ºC/2500ºF。最后一节是前置份额,下面,位于下一步,在下一步中,用于将熔融玻璃挤入纤维中。大型炉子有几个通道,每个渠道都有自己的戒律。

直接熔炉内部和熔融玻璃

这种直接熔融炉在德克萨斯州墨西哥州墨西哥州的钢筋植物,每年通过九燃烧器处理30,000吨熔融玻璃,通过使用氧气而不是空气更有效地操作,以帮助天然气燃料燃烧更热和更清洁。来源|ocv.

根据Scott Northrup,全球业务发展总监(Aiken,S.C.),在几个前沿正在提高炉子操作。使用较大的炉子的使用增加了每年30,000至40,000公吨(66.2至8820万磅)之间的吞吐量。最重要的进步之一是数字控制技术。“数字控制...测量并管理玻璃的精确温度,因为它通过炉子以及气体......和氧气流量。”它们还保持更平滑的稳定流向纤维化设备,避免气泡或其他可能导致纤维形成中不连续的中断。控制氧气流量是至关重要的,因为使用最新技术的炉子燃烧几乎纯氧而不是空气,因为它有助于天然气燃料燃烧更清洁和更热,更有效地熔化玻璃。它还通过使用较少的能量降低运营成本并通过75%和二氧化碳减少氮氧化物(NOx)排放(CO2)排放量40%。

因为熔炉是消耗品——熔化和移动玻璃的过程会磨损内衬在熔炉内部的耐火砖——所以正在努力增加耐火砖的使用寿命。玻璃纤维的生产是一个连续的过程,AGY销售和营销副总裁德鲁·沃克说,“一旦生产开始,就不会停止。”制造商们说,一般情况下,每隔12到15年重建一座火炉,最坏的情况是7年。沃克解释说,建设一个新的生产基地需要高达1.5亿美元,而新建或重建熔炉需要1000万至1500万美元,延长熔炉寿命可以直接转化为美元。

该行业主要采用三种方法熔化玻璃:(1)间接熔化(也称大理石重熔);(2)使用大型熔炉直接熔化(每年8,000至100,000公吨);(3)使用小型熔炉直接熔化(每年150到200公吨),这也被称为参数化。对于间接的大理石重熔,熔化的玻璃被剪切和轧制成直径约0.62英寸(15到16毫米)的大理石,然后冷却,包装,然后运输到纤维制造设施,在那里它们被重熔并纤维化(见“步骤3”)。大理石便于玻璃杂质的目视检查,从而产生更一致的产品。直接熔融法将熔炉中的熔融玻璃直接转移到成纤维设备上。由于直接熔炼省去了中间工序和制造大理石的成本,因此它已成为使用最广泛的方法。

第3步:纤维化

熔融玻璃通过加热的衬套板挤出
玻璃丝通过喷水和卷绕器绘制

熔融玻璃以≈1340°C/2444°F的温度出炉,并通过加热的衬套板挤出(顶部图像),它有200至8,000个非常小的孔或喷嘴。卷绕机(图片底部下方)对挤出的玻璃施加拉力,把它拉出细丝。它们被水雾冷却(可以看到接近底部图像的顶部),涂上尺寸(通过辊子)并聚集在一起形成一股。源| OCV(上)和PPG(下)

玻璃纤维的形成,或纤维化,涉及挤压和衰减的组合。在挤压过程中,熔融玻璃通过一个由耐腐蚀的铂/铑合金制成的套管从前炉中流出,套管上有非常细的孔,从200孔到多达8000孔。衬板是电子加热,他们的温度是精确控制,以保持恒定的玻璃粘度。当灯丝在大约1204ºC/2200ºF的温度下离开套管时,水射流会使灯丝冷却。衰减是机械地把挤出的熔融玻璃流吸进纤维状的纤维元素的过程,纤维的直径从4微米到34微米(人类头发直径的十分之一)。高速绕线机捕捉熔融流,由于它以每分钟~2英里/~3公里的圆周速度旋转(比流出轴套的熔融玻璃快得多),拉力被施加,把它们拉成细丝。

衬套价格昂贵,而且它们的喷嘴设计对纤维化至关重要。喷嘴直径决定了灯丝的直径,喷嘴的数量等于端部的数量。一个4000个喷嘴的衬套可以用来生产一种粗纱产品,或者该工艺可以配置成四种粗纱,每一种粗纱有1000个纱线头。衬套还控制纤维产量或每磅玻璃纤维的数量。(公制单位tex用来测量纤维线密度;1特克斯= 1克/公里,而产量则相反,是码/磅。)一种产量为1800码/磅(275特克斯)的纤维的直径比56码/磅(8890特克斯)的纤维要小,800喷嘴的套管的产量比4000喷嘴的套管要小。这也就解释了为什么智特佐斯是美国玻璃业务经理OCV增强(奥雷多,俄亥俄州,欧文斯康宁和圣戈班·韦特·韦特·瓦特克斯的增援和织物业务的组合,观看了4,000颗喷嘴衬套作为甜点,以便优化生产灵活性。相比之下,Agy使用800孔衬套,因为,随着Walker解释,“我们是一家较小的公司,玻璃纱和特种纤维业务基于更精细的长丝和较小的利基产品。”

衬套设计正在进步。PPG工业公司(Pittsburgh, Pa.)的市场开发总监Kevin Richardson指出:“套管设计方面正在出现新进展,通过定制灯丝直径进一步提高性能,也有助于提高炉子的总产能,降低成本。”AGY也同意这一观点,认为随着复合增强材料的专业化,纤维直径或微值的范围也变得更加多样化。虽然OCV最常用的直径是17微米和24微米(μm),但其加固产品的尺寸从4微米到32微米不等,而AGY的加固产品通常在4微米到9微米范围内。

Walker指出,所有玻璃纤维制造商都希望每小时生产尽可能多的玻璃纤维。绕组的进步使生产商能够实现三重效率。沃克解释说:“我们现在一次处理更多的包裹;20年前,我们可能已经使用了两个包,现在使用六个。“(见“步骤5”)

步骤4:涂层

在最后的阶段,一种化学涂层,或尺寸,被应用。(尽管粘合剂、浆料和施胶这三个词在工业上经常可以互换使用,但浆料才是正确的涂料名称,而施胶则是用于施胶的过程。参见右边的“了解更多”。)

通常以0.5至2.0重量%加入尺寸,并且可包括润滑剂,粘合剂和/或偶联剂。润滑剂有助于保护长丝免受磨损和破碎,因为它们被收集并缠绕成形成包装,后来,当它们被编织器或其他转化器加工成织物或其他增强形式时。偶联剂使纤维对特定树脂化学具有亲和力,改善树脂湿湿,并在纤维 - 基质界面处强化粘合剂键。一些尺寸的化学物质仅与聚酯树脂相容,只有一些含有环氧树脂,而其他树脂可能与各种树脂一起使用。Agy,OCV和PPG同意大小化学对玻璃纤维性能至关重要,每家公司都认为其尺寸化学成为专有的。PPG认为,在许多复合应用中,可以通过尺寸化学和玻璃批量化学来实现性能。例如,它的2026尺寸化学与风叶片的遮罩产品使用据报道,通过改善纤维湿法和对所有树脂类型的纤维粘附来实现叶片疲劳寿命的大小提高。

步骤5:干燥/包装

最后,将拉伸的尺寸的长丝一起收集到束中,形成由51至1,624根长丝组成的玻璃链。将股线缠绕在滚筒上的成形封装上,类似于螺纹的阀芯。然后在水冷和施加中湿法的成形封装,然后在烘箱中干燥,然后它们已准备好托空间并进一步加工成短切纤维,粗纱或纱线。粗纱是一系列股线的集合,很少或根本没有扭曲。例如,由10至15股缠绕在一起中的组装粗纱,需要额外的处理和处理步骤。纱线由一个或多个股线制成,可以扭曲以在随后的加工操作期间保护纱线的完整性,例如编织。

一个过程,很多产品

虽然玻璃纤维的基本工艺自80年前商业化以来变化不大,但它经历了许多改进。玻璃纤维制造的历史中贯穿着两个连续的主线:提高生产能力和降低成本的驱动力,以及提高成品性能的愿望。制造商继续在这两个方面向前推进(见“玻璃纤维:市场”侧边栏,下面),以追求玻璃纤维增强复合材料的更新应用

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